基于激光频率变换技术的中红外探测系统 (沈阳自动化所供图)

1月25日,《中国科学报》从中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称沈阳自动化所)获悉,该所太赫兹团队在红外探测领域取得了关键技术突破,实现了基于硒镓钡晶体的3~8微米中红外高灵敏探测,对纳秒脉冲的探测灵敏度指标达到国际先进水平,且实现系统的国产化。相关成果1月20日发表于《光学》(Optica)。

据了解,相对于传统的可见光近红外波段,中红外光与分子之间的共振现象可大幅度提高光谱测量的信噪比,进而实现对物质成分的有效识别。中红外探测技术对于推动生命科学、物性分析等科学探索,以及环保、化工行业、医学诊断等实际应用具有重要意义。

当前的中红外探测主要采用热探测和光电探测两种直接探测手段,现有性能已难以满足科学家们对微量物质的精准检测的需求,探测灵敏度已成为中红外系统的瓶颈问题。

太赫兹团队负责人、沈阳自动化所研究员祁峰介绍:“为此,我们提出基于激光频率变换技术的解决方案,设计并搭建了实验系统。其工作原理是将弱中红外信号高效率地转换为近红外信号,该近红外光携带了中红外光的信息且易于探测,通过这种间接探测的方式大幅度提高中红外信号的探测灵敏度。”

经过深入分析研究多种晶体的光学特性,太赫兹团队将目标锁定在硒镓钡晶体。该晶体由论文作者之一、中国科学院理化技术研究所研究员姚吉勇带领团队研制。“硒镓钡晶体通常是作为波源使用,我们大胆尝试,将它作为探测系统的一部分,在掌握其光学特性的基础上设计了高性能光参量振荡器,优化了相位匹配条件,解决了弱信号环境下的强背景噪声抑制等问题,实现了收发一体的中红外系统。”祁峰说。

硒镓钡晶体基于激光频率变换技术的中红外探测系统 (沈阳自动化所供图)

研究团队通过对纳秒级脉冲的实验测试表明,该系统目前可达到的探测灵敏度优于碲镉汞探测器100倍,实现了飞焦级纳秒脉冲的有效探测;系统的动态范围超过110 分贝,在宽频范围内的均匀响应可达到1.4个倍频程。祁峰指出,“上述两指标均优于传统的直接探测系统。”

科研人员测试基于激光频率变换技术的中红外探测系统 (沈阳自动化所供图)

太赫兹团队来自中国科学院光电信息处理重点实验室,实验室主任、沈阳自动化所所长史泽林表示,实验室始终面向实际需求开展光电探测研究问题,探测新机理和新方法,攻克科学研究中遇到的问题。“这项高灵敏度中红外探测研究就比较典型,如果灵敏度取得数量级的提升,就可能给生物、医疗和化工等领域带来新的科学研究手段,让原来办不到的事情变得可能。”(来源:中国科学报 沈春蕾)

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